井下排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)

石國(guó)峰

摘 要：礦山井下作業(yè)時(shí)，排水系統(tǒng)具有重要作用，能創(chuàng)造安全穩(wěn)定的開采環(huán)境，基于信息技術(shù)下設(shè)計(jì)一套自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)，成為學(xué)者的重要研究課題。文章介紹了井下排水監(jiān)控的現(xiàn)狀和意義，分析了自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的組成和功能，闡述了系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)，以供參考。

關(guān)鍵詞：井下排水；意義；自動(dòng)化監(jiān)控；模塊設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TD636 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）06-0099-02

Abstract： The drainage system plays an important role in underground mine operation and can create a safe and stable mining environment. It has become an important research topic for scholars to design an automatic monitoring system based on information technology. This paper introduces the present situation and significance of underground drainage monitoring and control， analyzes the composition and function of automatic monitoring system， and expounds the design of system module for reference.

Keywords： underground drainage； significance； automatic monitoring； module design

礦井涌水是常見的事故之一，分析其原因，主要是巷道采空區(qū)漏水，水源除了采空區(qū)水以外，還包括地表水、大氣水等。礦體開采過程中，會(huì)改變圍巖應(yīng)力場(chǎng)，打破了圍巖和地下水之間的平衡狀態(tài)，繼而形成過水通道、出現(xiàn)涌水事故。自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，可以對(duì)井下排水進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)警，避免發(fā)生涌水事故，保證井下作業(yè)的安全性。以下對(duì)此進(jìn)行探討。

1 井下排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的組成和功能

1.1 系統(tǒng)組成

以PLC技術(shù)為依據(jù)，井下排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括兩個(gè)系統(tǒng)：一是水泵組控制系統(tǒng)，二是視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為上下兩個(gè)部分，其中工控機(jī)在上、PLC在下，具體到控制系統(tǒng)的組成，包括：（1）工控機(jī)；（2）編程控制器；（3）溫度/壓力/振動(dòng)/液位變送器；（4）EPS電源柜；（5）集中控制柜；（6）電動(dòng)閥門。利用光纖信號(hào)，各種設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)可以傳輸?shù)缴弦患?jí)。在水泵控制系統(tǒng)中，由檢測(cè)、控制、執(zhí)行三個(gè)部分組成；在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，由服務(wù)器、硬盤、網(wǎng)絡(luò)終端及各種設(shè)備（攝像、傳輸、顯示、存儲(chǔ)）組成。

1.2 系統(tǒng)配置

在軟件配置上，監(jiān)控操作系統(tǒng)使用的是Window Professional，編程軟件使用的是STEP7，組態(tài)軟件使用的是WINCCV，數(shù)據(jù)庫(kù)使用的是SQLserver。在硬件配置上，PLC屬于S7-300系列，系統(tǒng)電源是EPS系統(tǒng)，變送器則沒有具體要求。監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行，分為以下三種模式：一是就地手動(dòng)運(yùn)行，根據(jù)水倉(cāng)內(nèi)的水位高低，利用手動(dòng)控制柜對(duì)水泵進(jìn)行啟動(dòng)或停止。二是遠(yuǎn)程手動(dòng)運(yùn)行，工作人員經(jīng)授權(quán)后，可以使用計(jì)算機(jī)對(duì)水泵遠(yuǎn)程控制，確定處于啟動(dòng)狀態(tài)還是停止?fàn)顟B(tài)。系統(tǒng)運(yùn)行期間，可以采集現(xiàn)場(chǎng)排水參數(shù)，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)傳輸?shù)秸{(diào)度室，實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理。三是全自動(dòng)運(yùn)行，PLC實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水倉(cāng)內(nèi)的水位變化，結(jié)合水泵運(yùn)行參數(shù)，確定啟動(dòng)還是停止。

1.3 系統(tǒng)功能

（1）地面監(jiān)控站。地面監(jiān)控站能采集現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)參數(shù)，和PLC之間保持實(shí)時(shí)通信狀態(tài)，然后記錄并顯示運(yùn)行數(shù)據(jù)，為運(yùn)行決策提供依據(jù)。

（2）現(xiàn)場(chǎng)控制站?，F(xiàn)場(chǎng)控制站的功能較多，具體如下：監(jiān)控各個(gè)子系統(tǒng)，保證系統(tǒng)正常運(yùn)行；采集水泵的出水壓力，并調(diào)整電機(jī)的運(yùn)行參數(shù)；采集水泵進(jìn)水口的真空度，評(píng)估電機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)；采集開關(guān)部位的運(yùn)行參數(shù)；通過就地控制箱，對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行進(jìn)行調(diào)整等。

（3）視頻系統(tǒng)。視頻系統(tǒng)的應(yīng)用具有以下特點(diǎn)：a. 結(jié)構(gòu)靈活，擴(kuò)展性強(qiáng)，直接利用網(wǎng)絡(luò)傳輸信息；b. 數(shù)字?jǐn)z像機(jī)的可靠性高，不會(huì)受到外界干擾，對(duì)于攝像距離沒有限制；c. 工作人員獲得授權(quán)后，通過客戶端可以進(jìn)行錄音、攝像，并查詢歷史數(shù)據(jù)，且沒有時(shí)間、空間的限制；d. 能定時(shí)錄像，針對(duì)過期影像資料定期自動(dòng)清理；e. 支持錄像文件的切換與輸出，利用網(wǎng)絡(luò)客戶端，可以和主機(jī)同步進(jìn)行錄像、播放等。

（4）輪換功能。水泵在長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行后，可能發(fā)生故障影響運(yùn)行效率，對(duì)此系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)了自動(dòng)輪換功能，可以記錄水泵的運(yùn)行時(shí)間，決定開機(jī)順序，確保每一臺(tái)水泵都能夠工作，且工作時(shí)間相對(duì)均衡，從而延長(zhǎng)水泵的使用壽命。

（5）自動(dòng)控制。水泵在啟動(dòng)之前，首先應(yīng)該保證處于滿水狀態(tài)，利用真空度判斷灌水程度，當(dāng)真空度指標(biāo)達(dá)到特定值，水泵才能正常啟動(dòng)；如果真空度不達(dá)標(biāo)，說明水泵內(nèi)有空氣，由于不能正常上水，會(huì)導(dǎo)致內(nèi)部元件燒毀。水泵在運(yùn)行時(shí)，運(yùn)行狀態(tài)是否正常，依靠真空度、水流量、出水壓力三個(gè)數(shù)據(jù)判斷。

（6）故障警報(bào)。系統(tǒng)中裝設(shè)了震動(dòng)檢測(cè)設(shè)備，一方面能加快檢測(cè)速度，另一方面可以提高數(shù)據(jù)傳輸能力，增強(qiáng)抗干擾能力。水泵一旦出現(xiàn)運(yùn)行故障，系統(tǒng)就會(huì)發(fā)生聲光警報(bào)，提示工作人員及時(shí)維修；同時(shí)也會(huì)將警報(bào)信號(hào)顯示在工控機(jī)、觸摸屏上，對(duì)故障信息進(jìn)行記錄保存。

1.4 應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

（1）系統(tǒng)可靠。將就地控制、遠(yuǎn)程控制結(jié)合起來，利用最佳程序?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的啟動(dòng)或停止。即使因故障導(dǎo)致通訊信號(hào)切斷，也能夠從自動(dòng)控制轉(zhuǎn)變?yōu)榫偷乜刂?，不?huì)影響系統(tǒng)的正常運(yùn)行。而且，可以對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行全方位監(jiān)控，例如電機(jī)、水泵、啟動(dòng)柜、真空系統(tǒng)等，一旦發(fā)生異常就會(huì)發(fā)出預(yù)警，避免造成嚴(yán)重的后果和損失。

（2）技術(shù)先進(jìn)。技術(shù)上實(shí)現(xiàn)了兩個(gè)轉(zhuǎn)變：一是利用光纖環(huán)網(wǎng)通訊技術(shù)，取代了總線傳輸技術(shù)，能提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男屎桶踩?；二是利用組態(tài)軟件控制技術(shù)，取代了NET編程技術(shù)，提高了系統(tǒng)的可靠性和通用性，為二次開發(fā)擴(kuò)容提供了有利條件。

（3）運(yùn)行經(jīng)濟(jì)。在水泵的啟動(dòng)算法上，利用了電價(jià)計(jì)算避峰填谷原則，保證水泵的能耗更加經(jīng)濟(jì)。水泵運(yùn)行期間，系統(tǒng)會(huì)記錄具體的運(yùn)行時(shí)間，以及啟動(dòng)時(shí)間最短的水泵，可以避免一臺(tái)水泵重復(fù)工作，保證所有水泵均勻磨損。另外，利用水位啟動(dòng)、停機(jī)水位、水位報(bào)警等功能，保證水倉(cāng)內(nèi)的水位始終處于合理范圍，降低水泵的啟動(dòng)頻率。

2 自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的模塊設(shè)計(jì)

2.1 模擬量檢測(cè)模塊

該模塊中包含了多種傳感變送器，涉及電流、溫度、功率、水位等要素，可以檢測(cè)排水系統(tǒng)的模擬參數(shù)，了解水位高低，明確排水流量、水泵溫度、電能損耗等指標(biāo)。通過這些信息的采集、分析，能判斷出模塊是否正常運(yùn)行，一旦達(dá)到臨界值或超過預(yù)設(shè)值，系統(tǒng)就會(huì)調(diào)控設(shè)備，保證處于正常的排水狀態(tài)。

2.2 開關(guān)量檢測(cè)模塊

該模塊的檢測(cè)內(nèi)容，主要是水泵高壓柜中的設(shè)備開關(guān)，例如真空斷路器、電動(dòng)閥、真空接觸器等，此外還能檢測(cè)真空泵的運(yùn)行狀態(tài)。采集數(shù)據(jù)信息后，通過分析了解開關(guān)是否正常工作；一旦數(shù)據(jù)信號(hào)異常，系統(tǒng)會(huì)采取保護(hù)措施，例如重啟開關(guān)，或者將開關(guān)信號(hào)、PLC連接在一起。

2.3 液位信息模塊

該模塊能采集水倉(cāng)水位、排水流量信息，對(duì)數(shù)據(jù)分析后形成曲線，幫助工作人員了解排水情況。由于礦井作業(yè)環(huán)境惡劣，水源比較渾濁，使用普通的接觸式傳感器，會(huì)加快探頭損耗。對(duì)此，系統(tǒng)采用了超聲波液位傳感器，不僅測(cè)量精準(zhǔn)度高，而且方便安裝，能輸出穩(wěn)定的信號(hào)，能適應(yīng)井下環(huán)境。

2.4 溫度采集模塊

該模塊能反映出水泵的工作狀態(tài)，不僅能采集水泵溫度信息，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控，還具備預(yù)警功能。首先模塊分析采集到的溫度數(shù)據(jù)，如果超過正常溫度范圍，就會(huì)發(fā)出警報(bào)，將信息反饋給工作人員。然后工作人員進(jìn)行調(diào)整，促使水泵恢復(fù)正常運(yùn)行。其中，鉑電阻的精度高，能準(zhǔn)確反映出溫度變化。

2.5 開停機(jī)模塊

該模塊是系統(tǒng)的執(zhí)行模塊，對(duì)信息采集分析后，系統(tǒng)會(huì)將指令傳輸給開停機(jī)模塊，依據(jù)排水系統(tǒng)的運(yùn)行現(xiàn)狀，對(duì)水泵開關(guān)進(jìn)行調(diào)節(jié)，促使系統(tǒng)良性運(yùn)行。

2.6 數(shù)據(jù)庫(kù)模塊

該模塊是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，主要是對(duì)各類數(shù)據(jù)信息進(jìn)行整合、保存，為各種操作執(zhí)行提供依據(jù)。為了保證該模塊的安全性，應(yīng)該設(shè)置訪問權(quán)限，并且對(duì)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行備份。

3 結(jié)束語(yǔ)

加強(qiáng)井下排水監(jiān)控，能提高井下作業(yè)的安全性，排水自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用，具有系統(tǒng)可靠、技術(shù)先進(jìn)、運(yùn)行經(jīng)濟(jì)的優(yōu)勢(shì)。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，主要包括模擬量檢測(cè)、開關(guān)量檢測(cè)、液位信息、溫度采集、開停機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)六個(gè)模塊，希望為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)礦山企業(yè)的健康發(fā)展。

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